Cynnydd Ymchwil Ar Gymhwyso Deunyddiau Alloy Titaniwm mewn Orthopaedeg
Aloi titaniwmwedi dod yn ddeunydd a ddefnyddir yn gyffredin mewn ymarfer clinigol orthopedig (fel platiau dur gosod mewnol a chymalau artiffisial) oherwydd ei briodweddau mecanyddol rhagorol a'i allu osteogenig, ond mae ganddo gyfyngiadau megis anadweithioldeb metel a rhyddhau ïon. Mae'r aloi titaniwm newydd yn gwneud y gorau o'r priodweddau ffisiocemegol a biolegol trwy wyddoniaeth ddeunydd. Mae'r erthygl hon yn adolygu cynnydd ymchwil cymhwyso orthopedig ac yn darparu cyfeiriad ar gyfer datblygiad y maes.
Mae deunyddiau mewnblaniadau orthopedig yn fetelau yn bennaf, gan gynnwys dur di-staen, cobalt a'i aloion, titaniwm a'i aloion, ac ati Yn eu plith, defnyddir aloion titaniwm yn eang mewn ymarfer clinigol oherwydd eu manteision rhagorol megis biocompatibility, cryfder uchel, ymwrthedd cyrydiad, a dwysedd isel. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae llawer o ysgolheigion wedi cynnal -ymchwil manwl ar ddulliau prosesu a gweithgynhyrchu, addasu arwynebau, maint mandwll a mandylledd aloion titaniwm, gyda'r nod o ddatrys problemau modwlws elastig uchel, segurdod arwyneb a rhyddhau ïon metel a wynebir gan aloion titaniwm mewn cymwysiadau clinigol. Bydd yr astudiaethau hyn nid yn unig yn helpu i wella effaith cymhwysiad biolegol aloion titaniwm, ond hefyd yn gwella priodweddau osseointegration, priodweddau gwrthfacterol ac eiddo diogelwch in vivo. Yn y papur hwn, mae addasu ac addasu arwyneb, priodweddau strwythurol a gwahanol fathau o aloion titaniwm o aloion titaniwm yn cael eu hadolygu'n fyr, er mwyn cael dealltwriaeth fanwl o statws cyfredol, manteision ac anfanteision aloion titaniwm mewn cymwysiadau biolegol, yn ogystal â'u cynnydd ymchwil a chyfarwyddiadau datblygu yn y dyfodol.
1. Strwythur asgwrn a manteision ac anfanteision aloi titaniwm
Mae gan asgwrn strwythur haenog ar y lefelau macrosgopig, microsgopig a nanoraddfa, sy'n cynnwys mwynau organig ac anorganig. Yn ôl strwythur a dwysedd, gellir ei rannu'n asgwrn trabeciwlaidd ac asgwrn cortical. Mae asgwrn trabeciwlaidd yn cynnwys rhwydwaith mandyllog gyda mandwlws o 50% ~ 90% a modwlws elastig o 0.02 ~ 2 GPa, tra bod asgwrn cortigol yn solet, gyda mandwlws o 3% ~ 5% a modwlws elastig o 3 ~ 30 GPa. Mae'r asgwrn yn newid yn gyson oherwydd y gwahanol bwysau a roddir, felly gall unrhyw fodwlws anghydweddiad rhwng y mewnblaniad a'r asgwrn arwain at atsugniad esgyrn sy'n gysylltiedig â chyfraith Wolff. Dylai'r mewnblaniad orthopedig delfrydol hyrwyddo adfywiad esgyrn yn yr ardal sydd wedi'i difrodi tra'n adfer swyddogaeth gorfforol yr asgwrn. Yn gyffredinol, dylent fod yn agos at esgyrn naturiol a chael eu llywodraethu gan y priodweddau sylfaenol canlynol:
(1) Biocompatibility;
(2) cyfateb priodweddau mecanyddol;
(3) Strwythur hydraidd iawn.
Yn ogystal, mae priodweddau gwrthfacterol hefyd yn bwysig.
Mewn orthopaedeg, defnyddir mewnblaniadau titaniwm mewn ystod eang o gymwysiadau, gan gynnwys ailosod prosthesis clun a phen-glin ar gyfer trin gwahanol fathau o arthritis, dyfeisiau ymasiad asgwrn cefn i sicrhau sefydlogrwydd fertebrau dirywiol ac ansefydlog, a dyfeisiau gosod torasgwrn amrywiol megis platiau metel, sgriwiau, ac ewinedd intramedwlaidd. Wrth i nifer y gweithdrefnau mewnblannu barhau i gynyddu, mae cleifion yn wynebu llawer o risgiau megis haint bacteriol, osseointegreiddiad gwael, a llid aseptig. Er bod aloion titaniwm yn adnabyddus am eu biocompatibility ardderchog a'u gwrthiant cyrydiad, ni ellir anwybyddu eu diffygion posibl: yn gyntaf, mae gan fewnblaniadau aloi titaniwm heb eu trin wyneb anadweithiol yn fiolegol, gan effeithio ar eu rhyngweithio ag organebau byw; yn ail, nid oes gan aloi titaniwm ei hun briodweddau gwrthfacterol; Yn drydydd, er gwaethaf ei biocompatibility da, unwaith y bydd y ffilm ocsid ar yr wyneb yn cael ei niweidio, gellir rhyddhau ïonau metel niweidiol i'r llif gwaed, a all achosi problemau iechyd difrifol.
2. Addasu wyneb ac addasu aloi titaniwm
Ystyrir bod iachâd esgyrn cynnar gwael ar ryngwyneb mewnblaniad yr asgwrn yn un o brif achosion methiant ar ôl llawdriniaeth. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae datblygiad technoleg addasu wyneb wedi darparu syniadau newydd ar gyfer datrys y problemau uchod. Mae ymchwilwyr yn ychwanegu sylweddau penodol at wyneb aloion titaniwm i gyflawni effeithiau gwrth-haint, osteogenig, gwrthsefyll traul, gwrthsefyll cyrydiad a gwrth-ocsidiad. Mae technegau addasu arwyneb cemegol yn cynnwys anodizing, micro-ocsidiad arc, dyddodiad electrofforetig, dyddodiad anwedd cemegol, gwresogi alcali, a dyddodiad haenau atomig.
Trwy ffurfio bondiau cemegol, mae sylweddau newydd gyda grymoedd bondio cryf ynghlwm. Yn ogystal, mae technoleg addasu arwyneb cemegol wedi'i addasu i fewnblaniadau â siapiau cymhleth, sydd â rhagolygon cymhwyso gwych wrth addasu aloion titaniwm argraffu 3D. Yn wahanol i ddulliau cemegol, nid yw technoleg addasu wyneb ffisegol yn newid priodweddau cemegol deunyddiau, ond mae'n dibynnu ar laser, gronynnau ynni uchel, uwchsain a thechnolegau eraill i addasu ymddangosiad wyneb a morffoleg microsgopig aloion titaniwm.
Mae technegau sgwrio â thywod traddodiadol yn cynyddu garwedd arwyneb aloion titaniwm, gan wella sefydlogrwydd cynnar mewnblaniadau. Mae laser yn dechnoleg gymharol newydd sy'n newid strwythur deunyddiau ar lefelau nanomedr a micromedr. Brane⁃mark et al. defnyddio technoleg laser i addasu arwyneb y mewnblaniad mewn safle penodol ac yna ei osod yn y tibia a'r ffemwr, a dangosodd y canlyniadau fod y dechneg hon wedi gwella angori'r rhyngwyneb mewnblaniad asgwrn. Roedd Gittens et al. datblygu dull addasu arwyneb i gynhyrchu nodweddion nanoscale ar blatiau titaniwm, gan arwain at well gwahaniaethu osteoblast. Roedd y strwythur titaniwm mandyllog wedi'i orchuddio â gelatin amlhaenog a chitosan sy'n cynnwys protein morphogenetig asgwrn neu vancomycin, a oedd yn arddangos gweithgaredd gwrthficrobaidd cryf yn erbyn bacteria planctonig ac ymlynol.
Ymhlith y gwahanol haenau arwyneb, chwistrellu plasma hydroxyapatite (HA) yw'r un a ddefnyddir fwyaf eang oherwydd ei fanteision megis rhwyddineb gweithredu a phris isel. Yn ogystal, gall ocsidiad micro-arc, triniaeth hydrothermol, dyddodiad electrofforetig a thechnolegau eraill ffurfio haenau HA yn llwyddiannus ar arwynebau titaniwm mandyllog. Mae astudiaethau wedi cymharu haenau HA wedi'u chwistrellu â phlasma â haenau HA a adneuwyd yn electrocemegol, ac mae'r canlyniadau'n dangos bod gan yr olaf garwedd arwyneb a gwlybedd uwch.
Gellir gwella biocompatibility trwy cotio cerameg ac ocsidau metel alcali eraill. Mae Urbanski et al. [18] gorchuddio Ti6Al4V â thitaniwm deuocsid a silica a'i osod yn ffemwr llygod mawr, a chanfuwyd bod ymateb llidiol y deunydd yn ysgafn. Dull newydd yw gorchuddio aloion titaniwm â gwastraff amaethyddol fel lludw plisg reis, lludw dail cans siwgr, cnau daear, a phlisg ŷd, gan fod y deunyddiau hyn yn cynnwys llawer iawn o ocsidau silica a nanoronynnau neu ficroronynnau cysylltiedig eraill. Defnyddiwyd y dull hwn mewn biowydr a serameg, lle defnyddir plisg reis yn lle silica fel gorchudd ar gyfer biowydr.
3. Nodweddion strwythurol aloi titaniwm
Mae garw arwyneb y deunydd yn denu mwy o gelloedd llidiol i lynu, megis macrophages, a elwir yn ffenomen "garwedd". Canfuwyd mai garwedd cyfartalog y deunydd oedd 0.51 ~ 1.36μm, a allai hyrwyddo polareiddio macroffagau ymlynol i'r ffenoteip M2. Olivares-Navarrete et al. Canfuwyd bod Ti6Al4V ar arwyneb garw yn gwella'r amgylchedd llidiol lleol o'i gymharu â Ti6Al4V gydag arwyneb llyfn, a bod celloedd sy'n tyfu ar ei wyneb yn lleihau lefelau rhyngleukin pro-. Felly, mae aloion titaniwm â garwedd wyneb penodol nid yn unig yn ffafriol i reoleiddio llid cynnar gan macrophages, ond hefyd i osseointegration yn y cam diweddarach.
Yn ogystal â garwedd, mae priodweddau ffisegol eraill arwynebau aloi titaniwm hefyd yn gysylltiedig â thwf esgyrn, megis gwlybedd, potensial zeta ac egni arwyneb. Yn ogystal, mae'r gorchudd calsiwm ffosffad wedi'i ddopio ar ditaniwm mandyllog printiedig 3D yn gwella osseointegreiddiad cynnar ac yn byrhau'r amser iacháu. Mae tîm ymchwil wedi datblygu addasiad goddefol asiant cemegol sy'n hyrwyddo arsugniad protein yn ddetholus a thrwy hynny wella adlyniad osteoblast ar yr wyneb titaniwm, nad yw'n cynnwys ffurfio haen bioactif, ond mae'n newid amodau arwyneb i hwyluso bio-ffisio a lleihau'r amser twf esgyrn o amgylch mewnblaniadau titaniwm.
Mae priodweddau ffisegol a chemegol a morffoleg y deunydd yn effeithio'n uniongyrchol ar y gwlybedd, sydd yn ei dro yn rheoleiddio arsugniad biomoleciwlau ac atodiad celloedd. Mae hydrophilicity arwyneb yn lleihau adlyniad bacteriol (trwy wanhau lluoedd van der Waals), a thrwy hynny leihau'r risg o haint mewnblaniad a hyrwyddo osseointegration cynnar. Mae aloion titaniwm traddodiadol yn dueddol o occlusion straen ac atsugniad esgyrn oherwydd eu modwlws elastig uchel, ac mae'n anodd i atgynhyrchu strwythur haenog meinwe esgyrn. Mae'r deunydd titaniwm mandyllog yn lleihau'r modwlws trwy'r strwythur pore ac yn gwella'r effaith angori gyda chymorth twf esgyrn. Gall ei dechnegau paratoi (ee, sintering, argraffu 3D) reoli maint mandwll a mandylledd mandyllau rhyng-gysylltiedig yn union.
Mae gan dechnoleg argraffu 3D fanteision deuol dros weithgynhyrchu traddodiadol: paru modwlws asgwrn naturiol yn ficrosgopig trwy fandyllau rhagosodedig i leihau'r risg o guddio a llacio straen; Ar y lefel macrosgopig, defnyddir sganio CT i gyflawni addasiad mecanyddol a morffolegol deuol o ddiffygion esgyrn cymhleth.
Mae'r aloi titaniwm mandyllog sintered newydd yn efelychu strwythur anhrefnus a modwlws elastig asgwrn canslo yn llwyddiannus trwy ddyluniad mandylledd 75%. Dangosodd arbrofion in vitro fod y strwythur hwn yn hyrwyddo adlyniad ac ymlediad osteoblastau yn sylweddol, ac roedd ei berfformiad osseointegration yn well na thitaniwm mandyllog printiedig 3D. Mae ei nodweddion strwythurol (maint mandwll, mandylledd, dosbarthiad gofodol, ac ati) yn effeithio ar osseointegration trwy dri mecanwaith: (1) addasu eiddo mecanyddol; (2) Cysylltu mandyllau i hyrwyddo mudo celloedd progenitor esgyrn; (3) Optimeiddio cludiant maetholion/ocsigen ac ymdreiddiad fasgwlaidd.
Maint mandylledd a mandylledd yw'r paramedrau rheoleiddio craidd: mae astudiaethau toddi laser dethol yn dangos bod maint mandwll silindrog 632μm yn fwy ffafriol i dwf esgyrn na 309μm/956μm, a gall maint mandwll 801μm wella'r sefydlogrwydd cychwynnol. Roedd y trothwy critigol yn dangos bod treiddiad celloedd rhwystredig <400 μm, > 900 μm wedi arwain at gyswllt esgyrn annigonol, a'r ystod mandylledd o 75% -85% oedd y gorau posibl.
O ran math aloi titaniwm, mae Ti6Al4V yn dominyddu'r farchnad, ond mae risg sytotocsig o ryddhau ïon Al / V. Mae aloion newydd fel Ti-15Ta-10.5Zr a Ti-13Nb-13Zr yn lleihau modwlws tra'n cynnal cryfder trwy addasu'r cyfansoddiad elfennol. Mae'n werth rhoi sylw i gyfarwyddiadau arloesol fel uwchelastigedd aloion nicel-titaniwm a phriodweddau gwrthfacterol copr / arian Ti6Al4V.
Mae'r heriau presennol yn canolbwyntio ar: (1) union drawsnewid strwythur dellt aloi gan dechnoleg gweithgynhyrchu ychwanegion; (2) Mae angen cryfhau'r broses o ddilysu'r gadwyn gyfan o in vitro, in vivo, a chlinig. Dylai ymchwil yn y dyfodol ganolbwyntio ar y berthynas feintiol rhwng paramedrau strwythurol a gweithgaredd biolegol i hyrwyddo datblygiad mewnblaniadau atgyweirio esgyrn personol.
4. Crynodeb a rhagolygon
Mae aloion titaniwm wedi'u defnyddio fel deunyddiau lleoli ers y 1960au. Ers hynny, mae ysgolheigion wedi bod yn ymchwilio i newid cyfansoddiad aloi a phriodweddau arwyneb i ddatblygu deunydd gyda'r cyfuniad gorau o briodweddau mecanyddol a chemegol. Gwahanol brosesau prosesu modern, yn ogystal â haenau arwyneb priodol ac addasiadau, i gyflawni priodweddau dymunol mewnblaniadau titaniwm. Mae angen mwy o adnoddau ac ymchwil i ddatblygu aloi titaniwm sy'n wydn, yn fiogydnaws, yn gallu gwrthsefyll cyrydiad ac sy'n gwrthsefyll traul.
Trwy ddeall nodweddion amrywiol aloion titaniwm, cynigir atebion gwahanol ar gyfer problemau modwlws elastig uchel ac anadweithiolrwydd wyneb aloion titaniwm, ac mae addasu wyneb ac addasu wyneb yn ddulliau a ddefnyddir yn gyffredin i gynyddu gweithgaredd arwyneb aloion titaniwm. Mae gwneuthuriad aloion titaniwm mandyllog nid yn unig yn datrys problem modwlws elastig uchel, ond hefyd yn cynyddu perfformiad biolegol osseointegration. Fodd bynnag, mae yna lawer o broblemau o hyd y mae angen eu trafod a'u datrys yn y broses gynhyrchu o wahanol aloion titaniwm mandyllog. Mae cymhwyso haenau swyddogaethol o strwythurau mandyllog a darganfod strwythurau biomimetig trabeciwlaidd yn darparu gwell opsiynau ar gyfer hyrwyddo cymwysiadau biolegol aloion titaniwm. Yn y dyfodol, tra'n gwella strwythur mecanyddol a phriodweddau eraill aloion titaniwm, y gobaith yw y bydd y defnydd o haenau swyddogaethol biolegol ar wyneb aloion titaniwm yn cael ei wella'n barhaus, a bydd cynnydd a darganfyddiadau newydd yn cael eu gwneud wrth gynyddu twf esgyrn lleol, osseointegration, gwrthfacterol a gwrth-haint.
